Produktion treibt Bedarf an Bildverarbeitungssystemen

Trotz wirtschaftlicher Unsicherheit bleibt die Nachfrage nach Bilderverarbeitung aus Deutschland hoch. In Zukunft könnten die automatisierte Inspektionsplanung und neue Sensormaterialien wichtig werden.

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"Die maschinelle Bildverarbeitung und die automatisierte visuelle Inspektion halten immer mehr Einzug in die industrielle Messung und Qualitätskontrolle im technischen und ingenieurtechnischen Bereich." So beschrieben im Jahr 2016 Jürgen Beyerer, Fernando Puente León und Christian Frese in der Einleitung zum Buch Machine Vision einen Trend, der sich, gestützt auf immer leistungsfähigeren Rechnern und fallenden Preisen für Kameratechnik, auch heute noch fortsetzt.

Davon profitieren auch die Hersteller von Bildverarbeitungssystemen in Deutschland. 3,1 Milliarden Euro setzte die Branche im Jahr 2021 nach Informationen des VDMA um. Das entspricht einem Wachstum von 16 % gegenüber dem Vorjahr. Die hohe Nachfrage übertrifft laut VDMA nicht nur alle Erwartungen, sie scheint sich auch trotz der gesamtwirtschaftlichen Unsicherheit in den kommenden Jahren fortzusetzen. Für das Jahr 2022 rechnet der VDMA mit einem Umsatzvolumen von 3,3 Milliarden Euro.

Objekterkennung und Qualitätskontrolle sind Hauptanwendungen

Als stärkste Abnehmerbranche für industrielle Bildverarbeitung aus deutscher Herstellung erweist sich dabei das produzierende Gewerbe mit einem Marktanteil von 60 %. Die Bildverarbeitungskomponenten und -systeme kommen dabei allen voran in der Objekterkennung und in der Qualitätskontrolle zum Einsatz.

Die Umsätze der deutschen Hersteller verteilen sich nahezu hälftig auf Komponenten und Systeme für die Bildverarbeitung. Zwei Drittel der in Deutschland hergestellten Komponenten gehen dabei in den Export: 30 % nach Asien, allen voran nach China, 15 % in andere europäische Länder. Die Exporte nach Indien und Nordamerika wuchsen im Jahr 2021 mit 89 % beziehungsweise 15 % besonders stark. Ähnlich sieht es bei den Systemen für die Bildverarbeitung aus, die zu Dreiviertel in den Export gehen. Mit 33 % ist das Asiengeschäft auch hier am größten, 24 % gingen ins europäische Ausland, während das Indiengeschäft am stärksten wuchs.

Vom Licht zur Aktion

Laut dem Autorenteam um Jürgen Beyerer werden nahezu alle industriell gefertigten Güter mehr oder weniger visuell kontrolliert: auf Vollständigkeit, korrekte Positionierung, die Einhaltung von Toleranzen, Oberflächen- und Materialeigenschaften oder auf Defekte. Unerlässlich ist die Bildverarbeitung zudem in automatisierten Fertigungsprozessen sowie in der Robotik. Der Prozess der Bildverarbeitung gliedert sich dabei in die fünf Schritte

Im Prozess interagiert Licht aus einer Lichtquelle zunächst mit dem Testobjekt und durchläuft anschließend die Abbildungsoptik, bevor es am Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt wird – typischerweise in eine elektrische Spannung. Die Spannung wird diskretisiert, und damit computerlesbar, und von Störungen wie Rauschen oder Inhomogenitäten sowie von irrelevanten Informationen bereinigt. Die gefilterten Bilddaten werden anschließend entweder in relevante Segmente unterteilt oder es werden bestimmte Merkmale, sogenannte Features, aus den Daten extrahiert. Damit ist die Basis gelegt, um anschließend Fehler zu detektieren, unterschiedliche Objekte zu klassifizieren oder Rückschlüsse auf Produktionsparametern daraus zu ziehen.

Aufwand bei Inspektionsplanung senken

In der Planung eines Bildverarbeitungssystems empfiehlt es sich, insbesondere die Bilderfassung sorgfältig planen, da nicht erfasste Bildinformationen mit der anschließenden Bildverarbeitung nicht mehr oder nur mit Mühe wiederhergestellt werden können. In der Praxis gestaltet sich dieser Schritt allerdings auch als besonders aufwendig und schwierig. In der Qualitätskontrolle müssen Lichtquelle, Optiken und Sensorik so eingestellt werden, dass Teile mit unterschiedlich ausgerichteten Oberflächen einerseits vollständig ausgeleuchtet sind, sie andererseits aber keine problematischen Reflexionen bewirken.

Ist ein Inspektionssystem dann einmal eingerichtet, lässt es sich oftmals nicht ohne weiteres auf eine neue Anwendung, beispielsweise ein anderes Bauteil, übertragen. Problematisch ist das insbesondere für die flexible Produktion in der Industrie 4.0 oder in der additiven Fertigung. Abhilfe könnte hier die Automatisierung der Inspektionsplanung liefern. Petra Gospodnetić, Dennis Mosbach, Markus Rauhut und Hans Hagen stellen im Artikel Viewpoint placement for inspection planning in der Zeitschrift Machine Vision and Applications 1/22 stellen drei Methoden vor, mit denen sich die optimalen Blickwinkel auf Bauteile automatisiert ermitteln lassen.

Bildsensoren sind oftmals limitiert

Dazu kommt, dass in der industriellen Bildverarbeitung oftmals auch die Bildsensoren an Grenzen geraten. "Die in den derzeitigen Bildverarbeitungssystemen verwendeten Bildsensoren weisen einen geringen Dynamikbereich und eine geringe Farbkonstanz auf und sind zerbrechlich und unnachgiebig, was ihre Verwendung in Anwendungen einschränkt, für die es in Zukunft eine große Nachfrage geben wird", schreiben wie Ross D. Jansen-van Vuuren, Ali Shahnewaz und Ajay K. Pandey im Artikel Image and Signal Sensors for Computing and Machine Vision: Developments to Meet Future Needs des Buchs Machine Vision and Navigation.

Die bekannten Bildverarbeitungssysteme werden deswegen immer weiter optimiert, doch der eigentliche Durchbruch dürfte den Autoren zufolge auf Basis zweier neuer Ansätze gelingen. Zum einen durch Bildsensoren mit neuen Architekturen als auch durch den Einsatz neuartiger lichtempfindlicher Materialien. Als vielversprechend bewerten die Autoren etwa organische Halbleiter oder organohalogene Perowskite. Auf dem Markt durchgesetzt haben sie sich zwar noch nicht, dennoch haben sie laut der Autoren das Potenzial, die gegenwärtigen Probleme in der industriellen Bilderfassung zu lösen und die Bildverarbeitungstechnologie disruptiv zu verändern.